當(dāng)前，信息與通信技術(shù)深刻改變著人類生產(chǎn)與生活的方式。以移動(dòng)寬帶、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)為顯著特征的ICT技術(shù)，正在重塑世界，成為引領(lǐng)人類社會(huì)下一輪可持續(xù)發(fā)展的新浪潮。今天的ICT技術(shù)，已經(jīng)由過去以提高效率為特征的支撐系統(tǒng)，轉(zhuǎn)變?yōu)轵?qū)動(dòng)價(jià)值創(chuàng)造的生產(chǎn)系統(tǒng)。
數(shù)據(jù)中心是信息社會(huì)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，是ICT技術(shù)的核心載體。ICT技術(shù)發(fā)展帶來的個(gè)人信息消費(fèi)的增加與企業(yè)及各種機(jī)構(gòu)的信息化建設(shè)與改造催生了巨量的數(shù)據(jù)中心建設(shè)需求。據(jù)ICT research預(yù)測(cè)，2012年至2020年間，中國數(shù)據(jù)中心的數(shù)量將從4萬個(gè)增至8萬個(gè)，從1000萬m2增長至3000萬m2。建設(shè)數(shù)據(jù)中心是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及建筑、制冷、供電等多個(gè)專業(yè)及不同的施工單位，建設(shè)周期長，投資巨大(僅基礎(chǔ)設(shè)施部分即達(dá)到每平方米3-5萬元)。但其作用非常關(guān)鍵，關(guān)系著未來十年企業(yè)信息系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。因此規(guī)劃建設(shè)一個(gè)合理、經(jīng)濟(jì)、回報(bào)率高的數(shù)據(jù)中心非常重要�；A(chǔ)設(shè)施是整個(gè)數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)，而供電系統(tǒng)則是基礎(chǔ)設(shè)施中最關(guān)鍵系統(tǒng)之一。筆者將從數(shù)據(jù)中心需求的角度分享自己關(guān)于供電系統(tǒng)建設(shè)與UPS選型的一些體會(huì)。
1. 易擴(kuò)容性
數(shù)據(jù)中心的生命周期一般在十年左右，包括供電在內(nèi)的各子系統(tǒng)容量在全生命周期內(nèi)如何靈活彈性地匹配業(yè)務(wù)需求是數(shù)據(jù)中心建設(shè)中的重要難題。事實(shí)上，隨著企業(yè)全流程與全業(yè)務(wù)向信息化平臺(tái)遷移及數(shù)據(jù)爆炸帶來大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析需求，數(shù)據(jù)中心的規(guī)模增長往往超出預(yù)期。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心因?yàn)榧軜?gòu)問題難以實(shí)現(xiàn)按需擴(kuò)容，而一次性建設(shè)一個(gè)嚴(yán)重超出初期需求的數(shù)據(jù)中心，將導(dǎo)致投資激增，各系統(tǒng)運(yùn)行在低負(fù)載低效率狀態(tài)，造成資源浪費(fèi)與高運(yùn)營成本。這種困境對(duì)數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在全層面、全顆粒度地根據(jù)業(yè)務(wù)需求彈性擴(kuò)展提出了必然要求。
傳統(tǒng)UPS是一個(gè)典型的無法按需擴(kuò)容的系統(tǒng)。對(duì)于傳統(tǒng)UPS 系統(tǒng)如果規(guī)劃容量過小，無法滿足業(yè)務(wù)增長時(shí)，需要進(jìn)行擴(kuò)容。但UPS系統(tǒng)擴(kuò)容有較大的風(fēng)險(xiǎn)。擴(kuò)容可能涉及上下游布線結(jié)構(gòu)的更改，為了避免影響業(yè)務(wù)一般在閑時(shí)施工，擴(kuò)容周期長；而復(fù)雜的施工過程使其對(duì)人員技能的依賴非常明顯，增大誤操作等帶來的斷電風(fēng)險(xiǎn)。為了規(guī)避這些問題，在傳統(tǒng)大型數(shù)據(jù)中心建設(shè)中，一般會(huì)結(jié)合當(dāng)前的業(yè)務(wù)需求與未來3-5年的業(yè)務(wù)發(fā)展綜合考慮規(guī)劃供電系統(tǒng)。這種方式又導(dǎo)致了另一種極端的出現(xiàn)，即系統(tǒng)剛投入運(yùn)行初期UPS負(fù)載率非常低，甚至低于10%，導(dǎo)致巨大的能源浪費(fèi)和資源浪費(fèi)。因此能夠彈性適配業(yè)務(wù)需求、按需部署、無擴(kuò)容風(fēng)險(xiǎn)的的UPS供電解決方案勢(shì)在必行。
圖-1 實(shí)際容量遠(yuǎn)低于裝機(jī)容量
2. 可用性
業(yè)務(wù)連續(xù)是數(shù)據(jù)中心的最基本最關(guān)鍵訴求之一�？捎眯允呛饬繕I(yè)務(wù)處于可用狀態(tài)即保障業(yè)務(wù)連續(xù)的基本指標(biāo)，也是數(shù)據(jù)中心建設(shè)中一直關(guān)注的因素�？捎眯圆煌诳煽啃�，是一個(gè)綜合可靠性與可維護(hù)性的概念，可更全面反應(yīng)數(shù)據(jù)中心的真實(shí)需求。關(guān)于數(shù)據(jù)中心建設(shè)的重要標(biāo)準(zhǔn)TIA-942《數(shù)據(jù)中心電信基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)》、《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50174-2008及Uptime Institute的白皮書均對(duì)數(shù)據(jù)中心的可用性做出了明確規(guī)定。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心IT系統(tǒng)一般通過使用高度穩(wěn)定可靠的大型機(jī)及“兩地三中心”架構(gòu)確保IT系統(tǒng)的可用性， 基礎(chǔ)設(shè)施則采用N+X冗余、2N甚至2( N+1)冗余的方式提升可用性，以確保單設(shè)備或單路故障不影響業(yè)務(wù)運(yùn)行。
云計(jì)算技術(shù)的出現(xiàn)使IT設(shè)施的可用性有了極大的改善。當(dāng)前基于X86等通用服務(wù)器的云計(jì)算數(shù)據(jù)中心中，虛擬化使存儲(chǔ)、服務(wù)器等IT物理設(shè)施資源池化，業(yè)務(wù)在虛擬機(jī)上運(yùn)行，而不再與某個(gè)具體設(shè)備綁定(煙囪式架構(gòu))。這樣做帶來兩個(gè)優(yōu)勢(shì)，一是容錯(cuò)性明顯改善，單個(gè)物理硬件的故障之后，業(yè)務(wù)可以遷移至其他虛擬機(jī)運(yùn)行，不會(huì)因單個(gè)硬件故障導(dǎo)致業(yè)務(wù)中斷，二是使IT硬件更易標(biāo)準(zhǔn)化、廉價(jià)化，IT硬件故障之后只需更換故障硬件即可，使IT硬件維護(hù)難度及其對(duì)維護(hù)人員的技能需求大幅降低，維護(hù)效率有效改善，降低運(yùn)維成本。
圖2 傳統(tǒng)UPS可用性與IT系統(tǒng)形成巨大反差
與之形成反差的是，供電系統(tǒng)的核心UPS系統(tǒng)尤其是傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)故障必須由廠家專業(yè)人員進(jìn)行維護(hù)，維護(hù)周期長，費(fèi)用高。在維護(hù)期間，系統(tǒng)處于無冗余的狀態(tài)，一旦再出故障，業(yè)務(wù)則會(huì)因無供電而中斷。為了能更好地匹配現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心的可用度需求，保障客戶數(shù)據(jù)零中斷，UPS系統(tǒng)必須在保障可靠性的同時(shí)，提高易維護(hù)性，以改善UPS系統(tǒng)的可用性。
3. 效率
能耗是數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵問題。隨著數(shù)據(jù)中心越來越集中，規(guī)模越來越大，能耗已經(jīng)成為運(yùn)營者最關(guān)注的問題之一。動(dòng)輒電費(fèi)數(shù)千萬甚至使部分?jǐn)?shù)據(jù)中心陷入了建得起用不起的尷尬境地。從宏觀的角度說，目前全球數(shù)據(jù)中心年耗電量約達(dá)3000億度，導(dǎo)致大氣中每年約增加2.35億噸二氧化碳，為地球帶來了沉重的環(huán)境負(fù)擔(dān)。因此，無論是從企業(yè)節(jié)約運(yùn)營成本的角度，還是從保護(hù)環(huán)境的角度，數(shù)據(jù)中心節(jié)能降耗都勢(shì)在必行。對(duì)于我國，數(shù)據(jù)中心節(jié)能的需求更為迫切。目前我國數(shù)據(jù)中心PUE平均值約在2.2-3.0之間，而國外平均可以達(dá)到1.8，即IT設(shè)備每消耗1度電，我國數(shù)據(jù)中心的制冷供電等輔助設(shè)施要比國外數(shù)據(jù)中心多耗25%以上的電。
改造制冷系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心節(jié)能的有效方式。工信部于2013年發(fā)布了《關(guān)于數(shù)據(jù)中心建設(shè)布局的指導(dǎo)意見》，即推薦大型數(shù)據(jù)中心建設(shè)在靠近電力資源豐富，便于利用自然冷源的地區(qū)，以降低數(shù)據(jù)中心PUE，節(jié)約能源。當(dāng)前冷凍水制冷系統(tǒng)、密閉通道、近端制冷甚至自然冷卻等均可實(shí)現(xiàn)較好的節(jié)能效果，已逐步在業(yè)界推廣應(yīng)用。
但僅僅依靠選用高能效比的制冷系統(tǒng)卻并不能達(dá)到極致的效果。UPS系統(tǒng)的損耗也是數(shù)據(jù)中心能耗的主要組成部分，大約占到數(shù)據(jù)中心能耗的6%-10%。數(shù)據(jù)中心要進(jìn)一步節(jié)能，必須選擇運(yùn)行效率更高的UPS。以1MW的數(shù)據(jù)中心為例，如果選用96%效率的高效UPS，將比選用85%效率的UPS，年用電量可少157萬度以上。
圖-3 不同類型UPS對(duì)PUE貢獻(xiàn)差異可達(dá)0.1以上
4. 功率密度
隨著IT技術(shù)的發(fā)展，體積更小、處理速度更快、功能更強(qiáng)大的高功率密度機(jī)架服務(wù)器、刀片服務(wù)器、存儲(chǔ)服務(wù)器應(yīng)運(yùn)而生，在數(shù)據(jù)中心中的應(yīng)用日益廣泛。數(shù)據(jù)中心單機(jī)架功耗從傳統(tǒng)的2KW ~ 3KW成倍的上升至10KW甚至20kW以上。
IT功率密度的快速增長對(duì)數(shù)據(jù)中心供電、制冷等系統(tǒng)帶來極大的挑戰(zhàn)。除了更大的電力制冷需求導(dǎo)致電力與冷量不足的問題，占地面積的矛盾也日益顯現(xiàn)。相比IT設(shè)備，基礎(chǔ)設(shè)施的功率密度并沒有很大的提升。以UPS為例，傳統(tǒng)工頻UPS因內(nèi)置用于升壓和產(chǎn)生中線的輸出變壓器，功率密度難以提升，大約為100KVA/柜；而更為先進(jìn)的高頻UPS取消了輸出變壓器，功率密度約為200KW/柜，而最高僅能達(dá)到300kVA/柜。相比IT設(shè)備，UPS這樣的保障設(shè)備功率密度增長緩慢，不僅沒有為業(yè)務(wù)設(shè)備空間讓位，反而進(jìn)一步擠壓了IT的空間，IT設(shè)備的功率密度越高，基礎(chǔ)設(shè)施區(qū)域面積與IT區(qū)域面積比例就越大。寶貴的空間資源并沒有應(yīng)用到最該應(yīng)用的地方，降低了數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營效率。因此，選用更高功率密度的UPS，讓供配電讓位于IT是數(shù)據(jù)中心的必然趨勢(shì)。
5. 可管理性
當(dāng)前數(shù)據(jù)中心規(guī)模不斷增大，僅我國目前正在構(gòu)建獨(dú)立機(jī)架數(shù)量在1萬個(gè)以上的超大型、PUE在1.5以下的數(shù)據(jù)中心即達(dá)20個(gè)；單個(gè)中大型數(shù)據(jù)中心需要管理的設(shè)備據(jù)統(tǒng)計(jì)達(dá)1000種以上，而功率密度的不斷提升需要電量冷量等資源的管理更加精確，這些因素都促使了數(shù)據(jù)中心管理必須從傳統(tǒng)粗放式、依賴人力的管理的模式向數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、部署靈活的智能管理系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。為了讓管理者清晰認(rèn)識(shí)數(shù)據(jù)中心管理系統(tǒng)的現(xiàn)狀與水平，451group基于全球數(shù)據(jù)中心狀況調(diào)研發(fā)布了管理系統(tǒng)分級(jí)報(bào)告，以提供一可衡量的標(biāo)準(zhǔn)。451group將數(shù)據(jù)中心管理系統(tǒng)分為基本型、被動(dòng)式、主動(dòng)式、優(yōu)化的和自我優(yōu)化與自治五個(gè)等級(jí)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前僅有30%的數(shù)據(jù)中心達(dá)到主動(dòng)管理的等級(jí)。也即70%的數(shù)據(jù)中心只能達(dá)到被動(dòng)式或者更低的管理等級(jí)。然而，一個(gè)運(yùn)營高效的數(shù)據(jù)中心，其管理等級(jí)最起碼要達(dá)到主動(dòng)式以上。
表-1 不同等級(jí)的數(shù)據(jù)中心管理系統(tǒng)
管理等級(jí)的提高涉及到對(duì)數(shù)據(jù)中心方方面面的改造，如對(duì)供配電、制冷、環(huán)境、安防等均需實(shí)現(xiàn)完備實(shí)時(shí)的管理與控制。UPS作為供電系統(tǒng)的核心子部件，智能化程度不斷提升不可避免。例如，實(shí)現(xiàn)對(duì)UPS自身及包括供配電、電池這些智能化程度較低的供電系統(tǒng)組成部分更強(qiáng)大實(shí)時(shí)的控制與監(jiān)管功能，向網(wǎng)管提供更詳細(xì)實(shí)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)信息，并根據(jù)業(yè)務(wù)運(yùn)營狀況接受調(diào)度，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施與業(yè)務(wù)的智能聯(lián)動(dòng)，達(dá)到整體效率性能最優(yōu)狀態(tài)等。
綜上所述，從數(shù)據(jù)中心需求的角度上來說，最佳的UPS應(yīng)該具有彈性擴(kuò)容、高可用、高效率、高密度、智能化等特點(diǎn)。依據(jù)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，筆者對(duì)數(shù)據(jù)中心中常用的工頻UPS(Transformer-based)、高頻UPS(Transformerless)和模塊化UPS進(jìn)行了一個(gè)比較，詳見表-2：
表-2 不同類型UPS對(duì)數(shù)據(jù)中心需求的適配度
由表-2可見，工頻UPS無論是可擴(kuò)展性、可用性、效率還是功率密度方面都已經(jīng)難以匹配數(shù)據(jù)中心的需求。而模塊化則在這幾個(gè)方面均表現(xiàn)優(yōu)異，必將成為數(shù)據(jù)中心的不間斷供電系統(tǒng)的主流選擇。
作者：中國人民銀行清算總中心園區(qū)管理部總經(jīng)理 尼米智 
